無機聚合材料的熱性能分析

發佈:2016-09-05, 週一
無機聚合材料

無機聚合材料,又稱為地質聚合物 (Geopolymer),是一種新興的材料,它兼具無機物、陶瓷、水泥的特性,又是一種性能優異的新型凝膠材料 (鹼激發凝膠材料,Alkali-activated cementitious material)。它在抗壓能力抗腐蝕性耐久性的性能,都比一般波特蘭水泥還強。加上地質聚合物,可使用工業廢料 (如高溫爐渣、飛灰) 來製造,在當今環境意識抬頭的今天,無機聚合材料成為炙手可熱的研究對象,並可取代天然需要開採的水泥產品。

目前,無機聚合材料物常見的應用包括:

  • 阻燃粘合劑
  • 耐火、耐熱衝擊材料
  • VLO飛機跑道
  • 熱防護塗層

這些地質聚合物的應用,需要各種熱特性分析,來瞭解其有效性與適用性,如地質聚合物的熱傳導率、熱膨脹率。以下便為您介紹幾種新興的地質聚合物,採用 C-Therm 的熱傳導儀,熱膨脹儀,分析出這些地質聚合物重要的熱特性。

下面這些是一些新興的無機聚合材料

無機聚合材料名稱 材料構成
GP 膏狀 Geopolymer Paste
GP5W GP with 5 volume % of Nyad MG wollastonite
GP5A GP with 5vo|ume%of -325 pound milled alumina
Geopolymer Foam
發泡材
Metakaolin based geopolymer foam
GP42A2.5W GP plus 42 volume % alumina and 2.5 volume % wollastonite
GP53A2W GP plus 53 volume % graded alumina and 2 volume % wollastonite

研究案例

在這個研究中,無機聚合材料的熱傳導率,是由 C-Therm 的 TCi 改良式瞬態平面熱源法 (MTPS) 熱傳導儀所量測。樣品經過4小時的預先燒結。

而熱膨脹率,是在 1200°C 的高溫加熱過程,以 C-Therm 的 DiL 熱膨脹儀所量測,升溫率是每分鐘5°C,採用的預設溫度曲線函數,是由室溫到1150°C,以NIST “SRM 738 Single-Crystal Sapphire Contact Force: 1N” 這個標準物質所建立出來。

上表中的各個地質聚合物,在室溫、100°C、200°C的條件下,具有以下的熱傳導率:

Thermal Conductivity of Geopolymer in Different Temperatures
各種無機聚合物材料在不同溫度下的熱傳導率

地質聚合物 GP42A2.5W,在熱膨脹儀高溫爐第一次加溫的過程中,顯示了以下的熱膨脹率,如同一般的地理聚合物:

GP42A2.5 無機聚合物的熱膨脹特性
無機聚合物 GP42A2.5 的熱膨脹特性

然而 GP5W 這種無機聚合材料,比較特殊,可以看到在1100°C左右,有第二次材料的密化(Densification)或化學反應出現,溫度為 Td,這很值得進一步研究。

The Dilatometry of Geopolymer GP5W
無機聚合材料 GP5W 的熱膨脹特性,高溫時出現特殊現象

在進一步研究後發現,在加熱到 1000°C 之前,材料的熱膨脹是正常的,也沒有相變、沒有玻璃轉化出現。但超過 1000°C 以後,出現玻璃轉化,在從1100度開始,出現第二次密化:

Something Happened Above 1000°C
GP5W 在高溫發生玻璃轉化與第二次密化

在這個實例中,有六種地質聚合物利用 C-Therm 的熱傳導儀與熱膨脹儀測出熱傳導率與熱膨脹率。其中四種地質聚合物材料具有明顯的熱膨脹性能,還有兩種聚合物,在燒結前與燒結後,有明顯的差異。

從測試結果來看,地質聚合物發泡材,有最好的隔熱能力。而 GP42A2.5W 這種地質聚合物材質,有最好的導熱率。且由 C-Therm 的熱傳導儀與熱膨脹儀的測量數據可得知,地質聚合物在1000°C以下,沒有相變也沒有玻璃轉化的材料特性。

C-Therm 熱傳導儀、熱膨脹儀

加拿大 C-Therm 儀器公司,是一家專注於熱傳導率熱膨脹率量測量測的專業公司,其熱傳導儀 TCi 與熱膨脹儀 DiL 產品,是目前市面上測量速度最快、操作最單純的儀器。

C-Therm 的熱傳導儀 TCi,不像它牌儀器需要複雜樣品前處理,複雜的樣品裝置過程、出來的數據還需要其他已知參數運算。C-Therm 的熱傳導儀,只要把感測器貼上樣品,直接就能得到樣品的熱傳導率 (Thermal Conductivity, 單位W/m.K)、與熱逸散率 (Thermal Effusivity),不需要樣品前處理 (前提是樣品能夠平整貼上感測器),而且不需要任何其他已知參數 (不需要比熱、密度等資料) 來運算。也不像某些號稱熱傳導儀的儀器,量測到的只是熱阻值,還需要經過運算才能獲得熱傳導率。而且可以接受大部分形式的樣品,固態、液態、粉狀、膏狀 (不會永遠沾黏在感測器上,可以洗掉的)....。

另外,C-Therm 的熱傳導儀 TCi 熱膨脹儀 DiL,是目前市場上整合度最高的,只要將一部主機接上電腦,便能同時操控熱傳導儀的感測器,與熱膨脹儀的高溫爐與距離感測器。更棒的是,一整套熱傳導儀加上熱膨脹儀的價格,也讓人驚艷。